بررسی تأثیر سازگارکننده‌های پلی‌اولفینی بر پایه مالئیک انیدرید در بهبود خواص مکانیکی کامپاندهای الیاف شیشه، کربنات و تالک

    سازگارکننده‌های پلی‌اولفینی هم‌چون پلی‌اتیلن گرافت‌شده با مالئیک انیدرید و پلی‌پروپیلن گرافت‌شده با مالئیک انیدرید از اجزای مهم در فرمولاسیون کامپاندهای پرمصرف هستند.

    امروزه پلی‌اتیلن (PE) و پلی‌پروپیلن (PP) بیش‌ترین مصرف سالانه را در بین پلاستیک‌ها دارند. از مهم‌ترین دلایل مصرف بالای آنها، می‌توان به قیمت کم، فرآیندپذیری آسان، در دسترس بودن و خواص فیزیکی مناسب آنها اشاره کرد. به‌عنوان مثال، PE مقاومت خوبی در مقابل آب، اسیدها، بازها و نمک‌ها دارد که موجب کاربرد آن در ساخت لوله، بطری‌های فشرده، فیلم‌ها و ورق‌ها می‌گردد و PP نیز نسبت به PE سفت‌تر و سخت‌تر بوده و محدوده عملیات دمایی آن 40 درجه سانتی‌گراد بالاتر است. به‌همین دلیل، PP در انواع زمینه‌ها و حوزه‌های صنعتی کاربرد دارد. در صنعت اتومبیل در ساخت پنل درب‌ها، تزیینات داخلی، پروانه‌ها، کف‌پوش اتومبیل، جعبه باطری و پدال‌ها مصرف شده، هم‌چنین در ساخت بدنه لوازم خانگی، ظروف، فرش، گونی و غیره به‌کار می رود. اما در عین حال استفاده از این پلیمرها معایبی هم‌چون سختی پایین PE در مقایسه با بعضی پلاستیک‌های دیگر، استحکام کششی نسبتاً پایین و نیاز به استفاده از مواد تقویت‌کننده، دارد. در مورد پلیمر PP هم، شکنندگی بالا در دماهای پایین کاربرد آن را محدود نموده است و هم‌چنین ساختار شیمیایی آن، حاوی کربن نوع سوم است و استعداد اکسید شدن بالایی دارند؛ بنابراین در این دو پلیمر، نیاز به استفاده از افزودنی‌ها و ترکیبات بهبوددهنده خواص فیزیکی، مکانیکی و حرارتی وجود دارد [1].

شکل 1. نمونه‌ای از کاربردهای سازگارکننده‌های پلی‌اولفینی

    با توجه به کاربردهای ذکرشده برای PE و PP، این دو پلیمر اغلب با انواع افزودنی‌ها به‌صورت کامپاند به‌کار می‌روند. به‌عنوان مثال، کامپاند PP و الیاف شیشه [2]، کامپاند PE یا PP و تالک [3]، کامپاند PE یا PP و کربنات کلسیم [4]، کامپاند PE یا PP و پودر چوب [5] و غیره. اما PE و PP به‌دلیل ماهیت آب‌گریزی خود، با اغلب مواد پرکننده و تقویت‌کننده معدنی مانند الیاف شیشه، تالک، کربنات کلسیم و غیره سازگاری ندارند و نیاز به حضور مواد سازگارکننده پلیمری وجود دارد. این مواد باعث کاهش آنتالپی اختلاط و انرژی آزاد بین سطحی می‌شوند و از نظر شیمیایی به هر دو فاز شباهت دارند و از نظر ترمودینامیکی با یک یا هر دو فاز سازگار هستند [5]. سازگارکننده‌ها در ترکیب PE و PP با سایر پلیمرهای قطبی مانند پلی‌آمیدها نیز به‌کار می روند [6]. امروزه یکی از رایج‌ترین ترکیبات سازگارکننده، سازگارکننده‌های PE و PP پیوندخورده با مالئیک انیدرید PP-g-Ma است. در این ترکیبات، گروه‌های مالئیک انیدرید بر روی پلی‌پروپیلن یا پلی‌اتیلن گرافت شیمیایی می‌شود. این ترکیبات از یک سو به‌دلیل قطبی بودن مالئیک انیدرید با سایر افزودنی‌ها مانند چوب، الک، الیاف شیشه و … که حاوی گروه‌های عاملی قطبی هستند، برهم‌کنش برقرار کرده و از سر دیگر خود که زنجیر پلی‌پروپیلن است، با ماتریس پلیمر سازگار است.

شکل 2. نمونه‌ای از سازگارکننده‌های پلی‌اولفینی

    در یک پژوهش از سازگارکننده‌های Aria Couple 1433 و Aria Couple1405 از شرکت آریا پلیمر پیشگام و پلی‌اتیلن با چگالی بالا (HDPE) و PP به‌عنوان ماتریس پلیمری، الیاف شیشه (GF)، تالک (Talc) و کربنات کلسیم (CaCO₃) ازگریدهای موجود در بازارداخلی ایران استفاده شده است. Aria Couple 1433 پلی‌پروپیلن پیوندخورده با مالئیک انیدرید (PP-g-MA) و Aria Couple 1405 پلی‌اولفین پیوندخورده با مالئیک انیدرید (PO-g-MA) است. سایر مشخصات سازگارکننده‌ها در جدول 1 بیان شده است: (لازم به ذکر است هر دو گرید مورد استفاده از گریدهای با میزان گرافت High level انتخاب شده‌اند.)

جدول 1. مشخصات سازگارکننده‌های 1433 و 1405

    در نام‌گذاری کامپاندهای تولیدشده، نمونه‌های حاوی سازگارکننده و بدون سازگارکننده به‌ترتیب شماره گذاری گردید؛ به این صورت که کامپاند PP همراه با 30 درصد وزنی الیاف شیشه، Comp 1 و با افزودن 3 درصد وزنی Aria Couple 1433 به آن، Comp 2 نام‌گذاری شد. کامپاند PP همراه با 25 درصد وزنی تالک، Comp 3 و با افزودن 2 درصد وزنی Aria Couple 1405 به آن، Comp 4 و کامپاند HDPE همراه با 40 درصد کربنات کلسیم اصلاح‌شده با اسید استئاریک، Comp 5 و با افزودن 2 درصد وزنی Aria Couple 1405 به آن، Comp 6 نامیده می‌شوند.
لازم به ذکر است، کلیه ترکیبات مورد بررسی، حاوی سایر افزودنی‌های رایج در فرمولاسیون‌های کامپاندهای صنعتی هم‌چون روان‌کننده‌ها، بهبوددهنده‌های مختلف و غیره بوده است که در فرمول‌ها ثابت فرض شده‌اند. کامپاندهای تولیدشده مربوط به هر افزودنی، با سازگارکننده و یا بدون آن، به‌وسیله اکسترودر دومارپیچ موجود در کارخانه مشتریان و در شرایط فرآیندی یکسان تهیه شده و سپس مطابق استاندارد، تحت آزمون‌های کشش، خمش و ضربه قرار می‌گیرند.

نتایج

نتایج حاصل از آزمون کشش و ضربه برای نمونه‌های حاوی الیاف شیشه Comp 1 و Comp 2 در جدول 2 آمده است.

جدول 2. نتایج کشش و ضربه بر روی نمونه‌های حاوی 30% الیاف شیشه

    نتایج جدول 2 بیانگر این واقعیت است که با افزودن 3 درصد وزنی Aria Couple 1433 به کامپاند PP حاوی 30 درصد الیاف شیشه، استحکام کشش 49 درصد و استحکام ضربه 52 درصد افزایش می‌یابد و دلیل این تقویت خواص مکانیکی، بهبود سازگاری بین سطحی PP و الیاف شیشه است؛ بدین صورت که بین گروه‌های عاملی هیدروکسیل موجود روی سطح الیاف شیشه و گروه اسید انیدرید موجود در سازگارکننده، پیوند کوالانسی پدید می‌آید [2]. شکل 3 بیانگر این موضوع است:

شکل 3. پیوند شیمیایی بین سازگارکننده PP-g-MA و الیاف شیشه [2]

    نتایج حاصل از آزمون کشش، خمش و ضربه برای نمونه‌های حاوی تالک 3 و Comp 4 در جدول 3 آمده است.

جدول 3. نتایج آزمون‌های کشش و ضربه برای نمونه‌های تالک

    نتایج جدول 3 نشان می‌دهد که با افزودن 2 درصد وزنی Aria Couple 1405 به کامپاند PP حاوی 25 درصد تالک، استحکام کششی، کرنش شکست و استحکام ضربه، به ترتیب 31%، 85% و 29% افزایش می‌یابد. دلیل این افزایش در خواص مکانیکی، ایجاد برهم‎‌کنش فیزیکی بین گروه قطبی کربونیل در مالئیک انیدرید در سازگارکننده Aria Couple 1405 و سطح ذرات تالک است [3].

    نتایج حاصل از آزمون کشش، خمش و ضربه برای نمونه‌های Comp 5 و Comp 6 در جدول 4 آمده است.

جدول 4. نتایج آزمون‌های کشش و ضربه برای نمونه‌های کربنات کلسیم

    نتایج جدول 4 نشان می‌دهد که با افزودن 2 درصد وزنی Aria Couple 1405 به کامپاند پلی‌اتیلن با دانسیته بالا (HDPE) حاوی 40 درصد کلسیم کربنات اصلاح‌شده با اسید استئاریک، استحکام کشش، خمش، ضربه و درصد کرنش به‌ترتیب 18، 15، 32 و 16 درصد افزایش می‌یابد. این افزایش در خواص مکانیکی به دو دلیل است. اول این که یک پیوند شیمیایی قوی بین گروه قطبی اسید استئاریک و کربنات کلسیم برقرار می‌شود و کلسیم استئارات، تشکیل‌ شده که باعث بهبود سازگاری بین ماتریس پلیمر و ذرات کربنات کلسیم می‌شود. دوم این که سازگارکننده PO-g-MA به‌دلیل حضور گروه قطبی کربونیل در مالئیک انیدرید، امکان برقراری پیوند هیدروژنی با گروه استری پوشش استئارات روی سطح کلسیم کربنات را دارد و از طرف دیگر زنجیرهای پلیمری آن با ماتریس HDPE مخلوط شده است [4].